heutigen Ausstattung der Waldökosysteme
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades des Forstwissenschaftlichen Fachbereichs
der Georg-August-Universität Göttingen
vorgelegt von Hubertus Schöllmann geboren in Schmallenberg
Göttingen 1999
2. Berichterstatter: Prof. Dr. Klaus von Gadow
Tag der mündlichen Prüfung: 27. November 1998
D 7
Diese Arbeit wurde im Internet veröffentlicht unter:
http://www.webdoc.sub.gwdg.de/diss/1999/schoellm/inhalt.htm
Zwei Tannenwurzeln groß und alt unterhalten sich im Wald.
Was droben in den Wipfeln rauscht, das wird hier unten ausgetauscht.
Ein altes Eichhorn sitzt dabei
und strickt wohl Strümpfe für die zwei.
Die eine sagt: knig. Die andre sagt: knag.
Das ist genug für einen Tag.
Christian Morgenstern
Inhaltsverzeichnis...
Abbildungsverzeichnis... I
Diagrammverzeichnis ...III
Kartenverzeichnis...V
Tabellenverzeichnis ... IX
1 Einleitung ...1
2 Material und Methoden...38
3 Ergebnisse ...74
4 Diskussion...151
5 Zusammenfassung...169
6 Literaturverzeichnis ...171
7 Veröffentlichungen ...181
8 Danksagung...182
9 Anhang ...183
Lebenslauf...
heutigen Ausstattung der Waldökosysteme
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades des Forstwissenschaftlichen Fachbereichs
der Georg-August-Universität Göttingen
vorgelegt von Hubertus Schöllmann geboren in Schmallenberg
Göttingen 1999
Abbildungsverzeichnis... I Diagrammverzeichnis ...III Kartenverzeichnis...V Tabellenverzeichnis ... IX
1 Einleitung ...1
1. 1 Einführung in die Arbeit und Zielsetzung...1
1. 2 Natürliche und anthropogen bedingte Einflüsse auf das Ökosystem Wald ...3
1. 2. 1 Allgemeine Einflußfaktoren ...3
1. 2. 2 Verwitterung...4
1. 2. 2. 1 Allgemeines ...4
1. 2. 2. 2 Physikalische Verwitterung...4
1. 2. 2. 3 Chemische Verwitterung ...4
1. 2. 2. 3. 1 Allgemeines ...4
1. 2. 2. 3. 2 Silikatverwitterung ...5
1. 2. 2. 3. 3 Oxidation von Gitterbausteinen...5
1. 2. 2. 3. 4 Kationen-Freisetzung...6
1. 2. 2. 3. 5 Protonenverbrauch bei der Verwitterung...6
1. 2. 2. 3. 6 Puffersysteme und ihre pH-Bereiche in Böden ...7
1. 2. 2. 3. 7 Ansprache im Gelände...9
1. 2. 3 Auswaschung...9
1. 2. 3. 1 Allgemeines ...9
1. 2. 4 Stoffeinträge durch Deposition ...9
1. 2. 4. 1 Emissionen, Immissionen, Depositionen...9
1. 2. 4. 1. 1 Definitionen ...9
1. 2. 4. 1. 2 Nasse Deposition ...10
1. 2. 4. 1. 3 Feuchte Deposition ...10
1. 2. 4. 1. 4 Trockene Deposition...11
1. 2. 4. 1. 5 Übersicht Depositionsarten...11
1. 2. 4. 1. 6 Deposition im Freiland und im Wald ...11
1. 2. 4. 2 Natürliche Stoffeinträge durch Deposition...12
1. 2. 4. 2. 1 Allgemeines ...12
1. 2. 4. 2. 2 Natürliche Quellen...12
1. 2. 4. 3 Anthropogen bedingte Stoffeinträge durch Deposition...13
1. 2. 4. 3. 1 Art, Quellen, Transport und Eigenschaften der Luftverunreinigungen ...13
1. 2. 4. 3. 2 Entwicklung der Luftverunreinigungen in Deutschland...15
1. 2. 4. 4 Deposition der wichtigsten Stoffe ...17
1. 2. 4. 5 Depositionsmodell nach ULRICH...19
1. 2. 4. 6 Zusammenfassung Stoffeinträge ...21
1. 2. 5 Biomasseexport ...21
1. 2. 6 Düngung ...22
1. 3 Spezielle ökologische Verhältnisse im Fichtelgebirge ...23
1. 3. 3 Depositionsverhältnisse im Fichtelgebirge ...24
1. 3. 3. 1 Klimatische und wirtschaftliche Verhältnisse im Fichtelgebirge als Voraussetzung für die Depositionen ...24
1. 3. 3. 2 Die wichtigsten deponierten Stoffe im Fichtelgebirge ...25
1. 3. 3. 3 Entwicklung der Luftverunreinigungen im Fichtelgebirge ...28
1. 3. 4 Biomasseexport im Fichtelgebirge...30
1. 3. 5 Düngung im Fichtelgebirge...30
1. 4 Waldgeschichte des Fichtelgebirges und historische Waldnutzungsformen ...31
1. 4. 1 Besiedlung des Fichtelgebirges und Zustand der Wälder ...31
1. 4. 2 Historische Waldnutzungsformen im Fichtelgebirge...34
1. 5 Stoffhaushaltliche Bilanzierungen ...36
2 Material und Methoden...38
2. 1. Das Untersuchungsgebiet: ehemaliges Revier Tröstau im Fichtelgebirge ...38
2. 1. 1 Auswahl des Untersuchungsgebietes ...38
2. 1. 2 Lage ...40
2. 1. 3 Geologie und Böden...40
2. 1. 3. 1 Geologie...40
2. 1. 3. 2 Böden...45
2. 1. 4 Klima ...45
2. 1. 5 Natürliche und heutige Baumartenzusammensetzung ...46
2. 2 Datenerfassung und Bearbeitung ...47
2. 2. 1 Erfassung der historischen Daten ...47
2. 2. 2 Erfassung der aktuellen Bodendaten ...48
2. 2. 2. 1 Probennahme ...48
2. 2. 2. 2 Aufarbeitung der Proben ...50
2. 3 Datenbearbeitung und Auswertung...51
2. 3. 1 Bearbeitung und Auswertung von Karten ...51
2. 3. 1. 1 Historische Karten ...51
2. 3. 1. 2 Geologische Karte und Standorts-Karte ...52
2. 3. 1. 3 Düngekarten...52
2. 3. 2 Bearbeitung der Streu- und Holzdaten ...52
2. 3. 2. 1 Bearbeitung der Streudaten ...52
2. 3. 2. 2 Bearbeitung der Holzdaten ...53
2. 3. 2. 3 Berechnung der Elementgehalte von Streu und Holz...56
2. 3. 2. 4 Berechnung des Gesamt-Elemententzugs (für jede Abteilung) ...62
2. 3. 3 Bearbeitung der Düngungsdaten ...62
2. 3. 3. 1 Zuordnung der Düngerarten und Düngemengen zu den Flächen...62
2. 3. 3. 2 Berechnung der Elementgehalte der Dünger...64
2. 3. 4 Depositionsmodelle ...66
2. 3. 4. 1 Allgemeines ...66
2. 3. 4. 2 Aktuelle Deposition...66
2. 3. 4. 2. 1 Feuchte Deposition ...66
2. 3. 4. 3 Historische Deposition ...69
2. 3. 5 Bearbeitung der Verwitterungsdaten...72
2. 3. 6 Bearbeitung der Auswaschungsdaten...73
2. 3. 7 Verschneidung aller Eintragungs- und Austragungsraten...73
2. 3. 8 Statistische Auswertung der Bodendaten ...73
2. 3. 9 Sonstige Berechnungen ...73
3 Ergebnisse ...74
3. 1 Historische Angaben ...74
3. 1. 1 Historische Karten, Entstehung und Entwicklung der Distrikte und Abteilungen...74
3. 1. 2 Historische Daten ...102
3. 1. 3 Zeitlicher Gültigkeitsbereich der Karten...106
3. 2 Streugewichte...106
3. 3 Streuentnahme...107
3. 4 Holzentnahme ...110
3. 5 Versauerung durch Biomassenutzung...113
3. 6 Altersklassenverteilung, BA-Zusammensetzung, Wuchsleistung ...114
3. 7 Düngung...117
3. 8 Deposition ...118
3. 9 Verwitterung ...121
3. 10 Auswaschung ...121
3. 11 Vergleich der verschiedenen Einflußfaktoren...122
3. 12 Ergebnisse der Bodenproben...123
3. 12. 1 Allgemeines...123
3. 12. 2 Allgemeine Bodenkennwerte ...130
3. 12. 3 Chemische Bodenanalyse...135
3. 12. 4 Statistische Auswertung der Analyseergebnisse ...145
3. 13 Bodenproben aus dem Jahre 1960...147
3. 14 Fehlerrechnung...149
4 Diskussion...151
4. 1 Entstehung und Entwicklung der Abteilungen, Veränderungen der Abteilungsgrenzen ...151
4. 2 Altersklassentabellen, Baumarten und Wuchsleistung ...152
4. 3 Historische Waldnutzung ...153
4. 4 Versauerung durch Biomasseexport ...155
4. 5 Düngung...157
4. 6 Deposition, Verwitterung, Auswaschung ...158
4. 7 Bilanzierung der Einflußfaktoren durch Verschneidung der einzelnen Karten ...163
4. 8 Bodendaten...164
4. 9 Vergleich historischer Humusproben mit den Bodenproben aus dem Untersuchungsgebiet im Jahre 1995...165
4. 10 Schlußfolgerungen ...167
6 Literaturverzeichnis ...171
7 Veröffentlichungen ...181
8 Danksagung...182
9 Anhang ...183
Tabellen der Bodendaten...184
Allgemeine Angaben: Lage, Vegetation ...184
Analyseergebnisse der Bodendaten...189
Humusangaben ...214
Beispiel eines Streunutzungsplanes ...216
Depositionskarten von Stickstoff, Schwefel, Kalium, Calcium und Magnesium ...218
Karten über den Export von Stickstoff, Schwefel, Kalium, Calcium und Magnesium durch Biomasseentnahme...225
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Einflußfaktoren, welche die stoffliche Ausstattung des Waldbodens bestim- men
Abbildung 2: Schematischer Ablauf der stoffhaushaltlichen Bilanzierung Abbildung 3: Wuchsbezirke im Untersuchungsgebiet
Abbildung 4: REDUC: KARTE DER KÖNIGLICHEN FORSTEI TRÖSTAU (westl. Teil 1798) (FA Wunsiedel, Karte 1798)
Abbildung 5: REDUC: KARTE DER KÖNIGLICHEN FORSTEI TRÖSTAU (östl. Teil 1798) (FA Wunsiedel, Karte 1798)
Abbildung 6: Holzbestandstabelle des Reviers Tröstau im Jahre 1798 (FA Wunsiedel, Karte 1798)
Abbildung 7: „Uibersichts - Karte von der Königl: Forstrevier Farrenbach Königl: Forst- amts Wunsiedel vermessen und gezeichnet in den Jahren 1827 und 1828, und copiert durch L. P. Seyler.“ (Ausschnitt) (FA Wunsiedel, Karte 1827)
Abbildung 8: Holzbestandstabelle des Reviers Farrenbach aus dem Jahre 1835 Abbildung 9: „FORSTREVIER TROESTAU. 1846.“ (südöstlicher Teil)
Abbildung 10: Revier Tröstau im Jahre 1873 mit den geänderten Bezeichnungen für das Jahr 1897 (Ausschnitt)
Abbildung 11: „Wirtschaftskarte für das FORSTAMT WUNSIEDEL BETIEBSVERBAND Wunsiedel Stand vom Jahre 1932“ (Ausschnitt ) (FA Wunsiedel, Karte 1932) Abbildung 12: „Wirtschaftskarte für das FORSTAMT WUNSIEDEL Stand vom 1. 10. 1954.
DISTR. III. (Ausschnitt ) (FA Wunsiedel, Karte 1954)
Abbildung 13: „Nutzungskarte für das FORSTAMT WUNSIEDEL Stand 1. 1. 1966 DISTR.
IV. u. V. (farbiger Ausschnitt) (FA Wunsiedel, Karte 1966)
Abbildung 14: „Nutzungskarte für das FORSTAMT WUNSIEDEL Stand 1. 1. 1966 DISTR.
IV. u. V. (schwarz-weißer Ausschnitt) (FA Wunsiedel, Karte 1966)
Abbildung 15: „Forstbetriebskarte (Waldpflege- und Nutzungskarte) Forstamt WUNSIEDEL BV. Wunsiedel DISTR.IV-VI Stand: 1.1.1981“ (Ausschnitt) (FA Wunsiedel) Abbildung 16: „Forstbetriebskarte (Waldpflege- und Nutzungskarte) Forstamt WUNSIEDEL
DISTR. IV-VI Stand: 1.1.1992“ (Ausschnitt) (FA Wunsiedel, Karte 1992) Abbildung 17: Probenpunkt 6 mit Bodenprofil (Phyllit, STO-Einheit 313, streugenutzt) Abbildung 18: Probenpunkt 19 mit Bodenprofil (Phyllit, STO-Einheit 312, wenig streuge-
nutzt)
Abbildung 19: Probenpunkt 28 mit Bodenprofil (Granit, STO-Einheit 102, wenig streuge- nutzt)
Abbildung 20: Probenpunkt 33 mit Bodenprofil (Granit, STO-Einheit 101, stark streuge- nutzt)
Abbildung 21: Probenpunkt 35 mit Bodenprofil (ebenfalls Granit, STO-Einheit 101, stark streugenutzt)
Diagrammverzeichnis
Diagramm 1: Entwicklung der Emissionen in Deutschland (nach ULRICH, 1989a) Diagramm 2: Gewichtsverhältnis und Versauerungspotential bei Baumkompartimenten
der Fichte (nach ENGLISCH, 1987)
Diagramm 3: Heutige Baumartenzusammensetzung im fichtelgebirgischen Teil des Forstamtes Wunsiedel (HÖHLER, H., 1998)
Diagramm 4: Entwicklung der Emissionen auf dem Gebiet der alten Bundesländern von 1815 bis 1990 (nach ULRICH, 1989a; UBA, 1989; HÄBERLE, 1984 Diagramm 5: Die Streunutzung seit 1815 im Untersuchungsgebiet
Diagramm 6: Holzentnahme im Untersuchungsgebiet zwischen 1815 und 1990 Diagramm 7: Prozentuale Anteile der Holzsorten am Gesamteinschlag
Diagramm 8: Alterklassenverteilung im Untersuchungsgebiet 1798 (ohne Grünersberg) (FA Wunsiedel, Karte 1798)
Diagramm 9: Altersklassenverteilung im Revier Tröstau im Jahre 1845/46 (FA
Wunsiedel, Revier Tröstau Zusammenstellung der Alters=Klassen. Nach dem Waldstande des Wirthschaftsjahres 1845/6)
Diagramm 10: Alterklassentabelle und Baumarten im Untersuchungsgebiet im Jahre 1910 (STABA, K 403, verschnürter Bestand, Stapel 15/25)
Diagramm 11: Vergleich der Einflußfaktoren auf den heutigen Bodenzustand am Beispiel der Abteilung Seilerschlag (Deposition als Mittelwert aus 10 % und 25 % Industrieeinfluß)
Diagramm 12: Verlauf der pH-Werte in den verschiedenen Bodenhorizonten bei unterschiedlichem geologischen Ausgangssubstrat
Diagramm 13: Beziehung zwischen gedüngten Ionen-Äquivalenten und der Basensättigung (r = 0,53)
Diagramm 14: Elementgehalte in der Trockensubstanz in den verschiedenen Bodentiefen auf Phyllit
Diagramm 15: Elementgehalte in der Trockensubstanz in den verschiedenen Bodentiefen auf Granit
Diagramm 16: Elementgehalte in der Trockensubstanz in den verschiedenen Bodentiefen auf Gneis
Diagramm 17: Einlagerung der Spurenelemente Mangan und Zink in das Holz einer 180jährigen Weißtanne (Abies alba) (nach SCHRIMPF, 1980)
Diagramm 18: Einlagerung der Spurenelemente Kupfer, Blei und Cadmium in das Holz einer 180jährigen Weißtanne (Abies alba) (nach SCHRIMPF, 1980) Diagramm 19: Vergleich der Elementgehalte in der Streu zwischen 1876 und 1995
Kartenverzeichnis Karte 1: Lage des Untersuchungsgebietes in Bayern
Karte 2: Übersicht über das Fichtelgebirge und das Untersuchungsgebiet
Karte 3: Geologische Karte des Untersuchungsgebietes (nach Geologische Karte von Bay- ern, Nrn. 5937 Fichtelberg, 1978; 6037 Ebnath, 1982 und 6038 Waldershof, 1964) Karte 4: Standortskarte des Untersuchungsgebietes
Karte 5: Lage der Probenpunkte auf Phyllit
Karte 6: Lage der Probenpunkte auf Granit und Gneis Karte 7: Tröstau 1798
Karte 8: Forstrevier Farrenbach 1827/28 Karte 9: Forstrevier Tröstau 1846
Karte 10: Die Reviere des Fichtelgebirges im Jahre 1846 (nach Karten FA Wunsiedel, FA Goldkronach, Urkatasterarchiv München)
Karte 11: Flächenaufteilung und -numerierung des Untersuchungsgebietes im Jahre 1873 (Reviere Furthammer, Vordorf und Fichtelberg II)
Karte 12: Abteilungsgrenzen und -nummern für das Untersuchungsgebiet im Jahre 1897 (STABA, K 350 V, Nrn. 1071 u. 1073; FA Wunsiedel, 15/22)
Karte 13: Abteilungsgrenzen und -nummern für das Untersuchungsgebiet im Jahre 1932 (FA Wunsiedel, Karte 1932)
Karte 14: Abteilungsgrenzen und -nummern für das Untersuchungsgebiet im Jahre 1954 (FA Wunsiedel, Karte 1954)
Karte 15: Abteilungsgrenzen und Flächenbezeichnungen für das Untersuchungsgebiet im Jahre 1966 (FA Wunsiedel, Karte 1966 und Wirtschaftsbuch 1966 -1981) Karte 16: Das Untersuchungsgebiet im Jahre 1981 (FA Wunsiedel, Karte 1981) Karte 17: Das Untersuchungsgebiet im Jahre 1992 (FA Wunsiedel, Karte 1992)
Karte 18: Veränderungen der Flächenaufteilung der Distrikte und Abteilungen im Untersu- chungsgebiet von 1798 bis 1992
Karte 19: Streuentnahme im Revier Tröstau zwischen 1820 und 1954 Karte 20: Holzentnahme im Untersuchungsgebiet von 1815 bis 1990
Karte 21: Versauerung durch Biomassenutzung im Revier Tröstau zwischen 1815 und 1990 Karte 22: Wuchsleistung im Revier Tröstau im Jahre 1860 (STABA, K 403, verschnürter
Bestand, Stapel 14/20)
Karte 23: Düngung im Revier Tröstau zwischen 1948 und 1990 (z. T. mehrfach) Karte 24: Gedüngte Ionen-Äquivalente im Revier Tröstau zwischen 1948 und 1990
Karte 25: Aktuelle Versauerung durch Deposition (Ionen-Äquivalente) im Untersuchungs- gebiet
Karte 26: Szenario 1: Kumulative Versauerung durch Deposition (Ionen-Äquivalente) unter der Annahme, daß 10 % der Staub-Immissionen aus der Industrie stammen Karte 27: Szenario 2: Kumulative Versauerung durch Deposition (Ionen-Äquivalente) unter
der Annahme, daß 25 % der Staub-Immissionen aus der Industrie stammen Karte 28: Verwitterungsraten im Untersuchungsgebiet Revier Tröstau
Karte 29: Die Auswaschung im Untersuchungsgebiet (in Abhängigkeit vom Niederschlag) Karte 30: Probenpunkte und Versauerung durch Biomassenutzung (Ionen-Äquivalente) im
Distrikt Grünersberg
Karte 31: Probenpunkte und Versauerung durch Biomassenutzung (Ionen-Äquivalente) im Distrikt Plattenberg
Karte 32: Durchschnittliche Entnahmetiefe (cm) der Bodenproben auf Phyllit im Distrikt Grünersberg
Karte 33: Durchschnittliche Entnahmetiefe (cm) der Bodenproben auf Granit und Gneis im Distrikt Plattenberg
Karte 34: Durchschnittliche Humusstärke (cm) auf Phyllit im Distrikt Grünersberg Karte 35: Durchschnittliche Humusstärke (cm) auf Granit im Distrikt Plattenberg
Karte 36: AKe (mmolc/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Grünersberg im Mineralbo- den von 0 bis 10 cm Tiefe
Karte 37: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Grünersberg im Mineral- boden von 10 bis 20 cm Tiefe
Karte 38: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Grünersberg im Mineral- boden von 20 bis 30 cm Tiefe
Karte 39: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Grünersberg im Mineral- boden von 30 bis 50 cm Tiefe
Karte 40: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Grünersberg im Mineral- boden von 50 bis 70 cm Tiefe
Karte 41: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Plattenberg im Mineral- boden von 0 bis 10 cm Tiefe
Karte 42: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Plattenberg im Mineral- boden von 10 bis 20 cm Tiefe
Karte 43: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Plattenberg im Mineral- boden von 20 bis 30 cm Tiefe
Karte 44: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Plattenberg im Mineral- boden von 30 bis 50 cm Tiefe
Karte 45: AKe (mmol IÄ/kg) und Basensättigung (%) im Distrikt Plattenberg im Mineral- boden von 50 bis 70 cm Tiefe
Karte 46: Lage der Probenpunkte von 1960 (punktförmig) und 1995 (sternförmig) im östli- chen Teil des Untersuchungsgebietes
Karte 47: Lage der Probenpunkte von 1960 (punktförmig) und 1995 (sternförmig) im west- lichen Teil des Untersuchungsgebietes
Karten im Anhang:
Karte 48: aktuelle Stickstoffdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet nach Modell) Karte 49: Stickstoffdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet unter der Annahme, daß
10 % bzw. 25 % des immitierten Staubes aus der Industrie stammt)
Karte 50: aktuelle Schwefeldeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet nach Modell) Karte 51: Schwefeldeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet unter der Annahme, daß
10 % bzw. 25 % des immitierten Staubes aus der Industrie stammt)
Karte 52: aktuelle Kaliumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet nach Modell) Karte 53: Kaliumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet unter der Annahme, daß
10 % des immitierten Staubes aus der Industrie stammt)
Karte 54: Kaliumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet unter der Annahme, daß 25 % des immitierten Staubes aus der Industrie stammt)
Karte 55: aktuelle Calciumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet nach Modell) Karte 56: Calciumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet unter der Annahme, daß
10 % des immitierten Staubes aus der Industrie stammt)
Karte 57: Calciumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet unter der Annahme, daß 25 % des immitierten Staubes aus der Industrie stammt)
Karte 58: aktuelle Magnesiumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet nach Modell) Karte 59: Magnesiumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet unter der Annahme, daß
10 % des immitierten Staubes aus der Industrie stammt)
Karte 60: Magnesiumdeposition im Untersuchungsgebiet (berechnet unter der Annahme, daß 25 % des immitierten Staubes aus der Industrie stammt)
Karte 61: Stickstoffexport durch Biomasseentnahme 1815-1990
Karte 62: Schwefelexport durch Biomasseentnahme 1815-1990 Karte 63: Kaliumexport durch Biomasseentnahme 1815-1990 Karte 64: Calciumexport durch Biomasseentnahme 1815-1990 Karte 65: Magnesiumexport durch Biomasseentnahme 1815-1990
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Silikatverwitterungsraten einiger Böden auf typischen Ausgangsgesteinen (nach ULRICH, 1997)
Tabelle 2: Konservative und nicht konservative Ionen (nach ULRICH, 1985a)
Tabelle 3: Puffersysteme, pH-Bereiche und Bodenveränderungen durch Säureeintrag (nach ULRICH, 1985a)
Tabelle 4: Depositionsarten
Tabelle 5: Zusammensetzung des Meerwassers an Mineralien und ihr Verhältnis zueinan- der (nach MAYERS ENZYKLOPÄDISCHES LEXIKON, 1980)
Tabelle 6: Saure und alkalische Depositionsanteile aus natürlichen Quellen und %-Anteil an der globalen Gesamtemission der sauren Depositionsanteile
Tabelle 7: Saure und alkalische Depositionsanteile aus anthropogen bedingten Quellen und
%-Anteil an der globalen Gesamtemission der sauren Depositionsanteile
Tabelle 8: Depositionsmengen in der Bundesrepublik Deutschland (BRECHTEL, 1989) und ausgewählter Untersuchungsgebiete (ULRICH, 1985b; FEGER, 1993;
FBWL, 1989)
Tabelle 9: Auswaschungsraten auf den Versuchsflächen Oberwarmensteinach und Wülfers- reuth im Fichtelgebirge zwischen Juli 1984 und Juni 1986 (nach HANTSCHEL, 1987)
Tabelle 10: Prozentuale Verteilung der Windrichtungen an der Station Ochsenkopf (nach EIDEN et al., 1989)
Tabelle 11: Gewichtete Konzentrationen von Ionen im Niederschlagswasser ausgewählter Niederschlagsereignisse an den Standorten Wülfersreuth und Oberwarmenstein- ach (nach EIDEN et al., 1989, S. 72)
Tabelle 12: Prozentualer Anteil der Anionen und Kationen in Aerosolpartikeln an den Standorten Warmensteinach und Wülfersreuth (Juli 1985 bis April 1986) und im Niederschlagswasser der Stationen Ochsenkopf, Meilerhütte, Warmensteinach und Wülfersreuth (nach EIDEN et al., 1989)
Tabelle 13: Werte für die Gesamtdeposition verschiedener Stoffe im Fichtelgebirge.
Tabelle 14: Holz-, Torf und Kohlebedarf im Forstamt Wunsiedel 1879 (FA-Wunsiedel, 14/1b)
Tabelle 15: Einflußnahme des Menschen und Zustand der Wälder im Fichtelgebirge
Tabelle 16: Erläuterung zu der Legende von Karte 3 (nach Geologische Karte von Bayern 1 : 25000, Blätter 5937 Fichtelberg (1978), 6037 Ebnath (1982), 6038 Wal- dershof (1964), z. T. eigene Interpretation)
Tabelle 17: Klimawerte der Wuchsbezirke im Untersuchungsgebiet
Tabelle 18: Ursprüngliche Baumarten im Untersuchungsgebiet (nach STO-Werk Wunsiedel, 1992)
Tabelle 19: Übersicht der Probenpunkte
Tabelle 20: Die Derbholzmasse verschiedener Holzsortimente (nach GAYER, 1863) Tabelle 21: Elementgehalte der verschiedenen Holzsortimente und Streuarten
Tabelle 22: Düngermengen aus den Angaben im Düngerordner Tabelle 23: Dünger und ihre Zusammensetzung
Tabelle 24: Elementeintrag pro mm Nebelniederschlag (nach EIDEN et al. 1989)
Tabelle 25: Elementeintrag pro mm Regenniederschlag (nach HANTSCHEL (1987) und dem BAYERISCHEN LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT (1995)) Tabelle 26: Elementeintrag durch trockene Deposition
Tabelle 27: Faktoren für die verschiedenen Elemente bei unterschiedlicher Depositions- quelle
Tabelle 28: Ausgangsmaterialien und Verwitterungsraten im Untersuchungsgebiet
Tabelle 29: Verwitterungsmengen für die Elemente Na, K, Ca und Mg für verschiedene Bo- dentiefen
Tabelle 30: Distriktsbezeichnungen des Reviers Tröstau und Teile Vordorfs im Jahre 1798 bzw. 1804 (FA Wunsiedel, Karte 1798; STABA, T 2475) (1 Tgw. = 4600 m2 ; FICKERT, 1989)
Tabelle 31: Distriktsbezeichnungen des Reviers Farrenbach im Jahre 1835 (FA Wunsiedel, Karte 1827) (Zu den 7378,21 Tgw. kommen noch 380,86 Tgw. fremdes Eigen- tum hinzu. 1 Tgw. = 3407,3 m2)
Tabelle 32: Bezeichnungen der Distrikte und Abteilungen ca. 1843 Tabelle 33: Bezeichnungen der Distrikte und Abteilungen ca. 1846
Tabelle 34: Bezeichnungen der Distrikte und Abteilungen 1860 und 1873 (STABA, ver- schnürter Bestand, K 403, 15/3 (1) Wirthschaftsbuch des Reviers Troestau nun Furthammer 1861/73
Tabelle 35: Distrikts- und Abteilungsbezeichnungen 1897 (STABA, K 350 V, Nrn. 1071 u.
827b)
Tabelle 36: Distrikts- und Abteilungsbezeichnungen 1932
Tabelle 37: Distrikts- und Abteilungsbezeichnungen 1954 (FA Wunsiedel, Karte 1954) Tabelle 38: Distrikts- und Abteilungsbezeichnungen 1966 (FA Wunsiedel, Karte 1966 und
Wirtschaftsbuch 1966 -1981)
Tabelle 39: Distrikts- und Abteilungsbezeichnungen 1981 Tabelle 40: Distrikts- und Abteilungsbezeichnungen 1992
Tabelle 41: Anzahl und Größe der Distrikte und Abteilungen und Gesamtfläche des Unter- suchungsgebietes (in Klammern mit Vordorf und Grünersberg)
Tabelle 42: Vergleich der vom GIS berechneten Flächengrößen und der in der Holzbestand- stabelle von 1798 angegebenen und in ha umgerechneten Distriktsgrößen
Tabelle 43a:Holzsortenangaben und ihre Einheiten zwischen 1815 und 1990 (Fortsetzung nächste Seite)
Tabelle 43b:Holzsortenangaben und ihre Einheiten zwischen 1815 und 1990 Tabelle 44: Zuteilung der Streu- und Holzdaten zu den Karten
Tabelle 45: Gewichte der Streumaterialien (nach FA Wunsiedel; OFD Bayreuth, FA PEGNITZ, 1987; WOLFF, 1880)
Tabelle 46: Durchschnittlicher Steingehalt der Bodenproben im Mineralboden in Prozent Tabelle 47: pH-Werte der Bodenproben in unterschiedlichen Tiefen
Tabelle 48: Durchschnittliche Elementgehalte der Trockensubstanz in den verschiedenen Beprobungstiefen auf den verschiedenen Ausgangsgesteinen
Tabelle 49: Unterschiede im C/N-, C/P- und C/S-Verhältnis der Bodenproben auf unter- schiedlich stark streugenutzten Böden
Tabelle 50: Orte der Probenpunkte von 1960 und Ergebnisse der chemischen Analyse (nach FA Wunsiedel, Düngeordner)
1 Einleitung
1. 1 Einführung in die Arbeit und Zielsetzung
Wenn heute von Versauerung der Waldböden gesprochen wird, werden in erster Linie die sauren Depositionen dafür verantwortlich gemacht. Säuren, vor allem H2SO4 und HNO3 bzw.
ihre Vorstufen (SO2, NOX), werden aus industriellen Quellen (Kraftwerke, Fabriken) emittiert und mit der Luft in weit entfernte Gebiete transportiert. Dort gehen sie als saurer Niederschlag nieder und versauern die Böden.
In der vorliegenden Arbeit soll gezeigt werden, daß die Bodenversauerung nicht nur auf die sauren Depositionen zurückzuführen ist, sondern daß auch die historische Waldnutzung, also der Export von Biomasse aus dem Wald, an der Versauerung des Bodens beteiligt ist.
Betrachtet man den Wald als Ökosystem, so ist er als offenes System zu sehen, d. h. er tauscht Stoffe mit seiner Umgebung aus. In das Ökosystem Wald werden Stoffe eingetragen (Regen, Depositionen, Licht) und ausgetragen (Auswaschung, Holzentnahme). Auch innerhalb des Ökosystems werden Stoffe umgesetzt (Auf- und Abbau von Biomasse, Verwitterung des Aus- gangsgesteins). Der größte Teil dieser Prozesse läuft über den Boden ab. In einem von Men- schen unbeeinflußten Wald sind die Ein- und Austragungsraten gering und halten sich in etwa die Waage; die Stoffkreisläufe innerhalb des Ökosystems können als mehr oder weniger ge- schlossen betrachtet werden. Veränderungen der Ein- und Austragungsraten gehen meist sehr langsam vonstatten; das Ökosystem hat genug Zeit, darauf zu reagieren.
In einem stark anthropogen beeinflußten Wald dagegen sind die Stoffkreisläufe verändert. Die Eintragungsraten bestimmter Stoffe sind erhöht, die Austragungsraten ebenso, die internen Stoffkreisläufe werden verändert. Außerdem geschehen diese Veränderungen der Stoff- kreisläufe für das Ökosystem Wald meist sehr plötzlich; das Ökosystem hat kaum Zeit darauf zu reagieren und sich anzupassen.
Heute werden die Depositionen von Schwefeldioxid und Stickoxiden als entscheidende Ursa- che für die Versauerung von Waldböden angesehen (FBWL, 1989). Der Eintrag dieser Stoffe bewirkte und bewirkt nach wie vor eine wesentliche Veränderung des Ökosystems Wald.
Saure Depositionen sind aber nur eine Ursache für die Versauerung von Waldböden. Beim Aufbau von Biomasse (Wachstum der Vegetation) werden im Waldboden ebenfalls Protonen gebildet, die bei der Zersetzung von Biomasse wieder abgebaut werden. Entnimmt man dem Wald diese Biomasse, etwa in Form von Holz, Ästen oder Streu, so werden die internen Stoffkreisläufe verändert; sie werden unterbrochen. Die Biomasse wird nicht mehr im Wald abgebaut und somit werden auch keine Protonen mehr verbraucht; die Versauerung bleibt im Boden erhalten.
Unsere Wirtschaftswälder werden schon seit einigen hundert Jahren genutzt, in früheren Zei- ten sogar sehr viel intensiver als heute. Nicht nur Holz wurde dem Wald entnommen, sondern auch Rinde, Äste und Zweige der Bäume und die auf dem Boden liegende Streudecke. Gerade für den Aufbau der letztgenannten Kompartimente und der Streu wurden jedoch sehr viele Protonen freigesetzt. Wird die Biomasse nun entnommen, bleiben diese Protonen im Ökosys- tem erhalten.
Zahlreiche Untersuchungen belegen, daß die Nutzung des Waldes in historischer Zeit eine bedeutende Rolle hinsichtlich des heutigen Nährstoffzustandes der Waldböden spielt (FEGER et al., 1993; GLATZEL, 1989; KREUTZER, 1972; LENZ et al., 1993; MALESSA, 1995).
FEGER et al. (1993) weisen für die zwei Versuchsflächen im Schwarzwald darauf hin, daß die historische Nutzung eine große Rolle für den Chemismus des Bodens spielt: "Auswirkun- gen der aktuellen atmogenen Deposition auf den Stoffhaushalt sind zwar erkennbar, jedoch tritt die Deposition als differenzierender Faktor hinter standortspezifische Ausstattung und ökosysteminterne Prozesse zurück. Besonders die Nutzungsgeschichte beeinflußt sehr stark den heutigen Elementumsatz." Nach GÜRTH et al. (1992) spielt die Bestandesgeschichte eine wichtige Rolle bei der Erkrankung von Hochlagenbeständen im Südwestschwarzwald. Hier seien vor allem die Holzkohlegewinnung, Überweidung und Veränderung der Baumarten von Buchen- und Buchen-Tannen-Beständen zu Fichtenbeständen zu nennen.
Für einzelne kleinere Flächen existieren Messungen über Stoffausträge aus einem Ökosystem (MATZNER et al., 1981; ZÖTTL, 1987; ZÖTTL et al., 1989), auch liegen Abschätzungen über Elementverluste durch bestimmte Nutzungen vor (EBERMAYER, 1876; KREUTZER, 1972; ENGLISCH, 1987).
Die Problematik dieser Untersuchungen besteht jedoch darin, daß sie entweder nur qualitative Aussagen hinsichtlich des Biomasseexportes machen, oder aber den Biomasseentzug lediglich abschätzen. Weiterhin beziehen sich die meisten Untersuchungen nur auf kleinere Land- schaftsausschnitte (Bestände) und nicht auf einen regionalen Maßstab, d. h. etwaige Muster in der Flächennutzung werden nicht berücksichtigt.
Ziel dieser Untersuchung ist es daher, erstmals für ein definiertes Untersuchungsgebiet (ehe- maliges Revier Tröstau im Fichtelgebirge) eine flächengenaue stoffhaushaltliche Bilanzierung des Stoffimportes und -exportes in und aus Wälder(n) im regionalen Maßstab vorzunehmen.
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei im forsthistorischen Bereich. Es soll hierbei besonders die räumliche Differenziertheit des Biomasseexportes durch die historische Waldnutzung her- ausgearbeitet werden. Weiterhin soll die Qualität der Daten untersucht und die Fragen beant- wortet werden, wie weit und mit welcher Genauigkeit sich die historische Waldnutzung zu- rückverfolgen läßt und welche Besonderheiten hierbei zu berücksichtigen sind.
Um einen Vergleich mit den anderen Faktoren vornehmen zu können, die ebenfalls den Bo- denzustand beeinflussen, sollen diese ebenfalls untersucht und quantifiziert werden. In diesem Teil der Arbeit, der sich mit der ökologischen Modellierung beschäftigt, soll untersucht wer- den, wie sich die Deposition im Laufe der Zeit verändert hat und ob es möglich ist, eine räumliche Variabilität festzustellen. Das Gleiche soll bei der Verwitterung und Auswaschung untersucht werden. Auch der Stoffimport bzw. -export durch Düngung sollen quantifiziert und die Ergebnisse mit denen des Biomasseexportes durch die historische Waldnutzung vergli- chen werden.
Wo es möglich ist, wird auf bereits bestehende Modelle zurückgegriffen oder die bestehenden Modelle werden modifiziert. Sind keine geeigneten Modelle vorhanden, werden neue Modelle erstellt.
Die Arbeitshypothese für diese Untersuchung lautet:
Die historische Nutzung des Waldes spiegelt sich in der Ausstattung des Bodens wider!
1. 2 Natürliche und anthropogen bedingte Einflüsse auf das Ökosystem Wald 1. 2. 1 Allgemeine Einflußfaktoren
Auf das Ökosystem Wald wirken viele verschiedene Faktoren, welche die stoffliche Ausstat- tung des Waldbodens mehr oder weniger bestimmen. Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Ein- flußfaktoren. Einige dieser Faktoren lassen sich gut, andere dagegen weniger gut bestimmen.
Geologie Klima Vegetation Relief
Waldökosystem
natürliche Stoffeinträge Nutzungs-/
Bewirtschaftungsform
natürliche Stoffausträge Immissionen
Abbildung 1: Einflußfaktoren, welche die stoffliche Ausstattung des Waldbodens bestim- men
Das geologische Ausgangsgestein der Bodenbildung kann chemisch analysiert werden. An- hand der Zusammensetzung aus verschiedenen Mineralien kann die Verwitterungsrate abge- schätzt werden. Man erhält so die Menge an Ionen, die in einem bestimmten Zeitintervall nachgeliefert wird. Die Bestimmung der natürlichen Stoffeinträge und -austräge ist in unseren anthropogen sehr stark beeinflußten mitteleuropäischen Wäldern nur schwer möglich. Ebenso verhält es sich mit der Bestimmung der rein anthropogen bedingten Einträge, da die natürli- chen Einträge nicht auszuschalten sind. Zwar kann man die Gesamtdeposition messen, dabei können natürliche und anthropogen bedingte Stoffeinträge aber nur schwer differenziert wer- den. Anders verhält es sich mit der Nutzung von Biomasse. Der heutige Biomasseexport läßt sich qualitativ und quantitativ bestimmen. Liegen historische Daten über die Nutzung des Waldes vor, so läßt sich auch der frühere Biomasseexport berechnen und somit die Stoffaus- träge quantifizieren. Die Düngung von Waldbeständen, die um 1950 im Fichtelgebirge be- gann, läßt sich ebenfalls recht gut quantifizieren. Voraussetzung ist allerdings, daß entspre- chende Unterlagen vorhanden sind.
Im Nachfolgenden werden die im Boden ablaufenden Prozesse, die einzelnen Faktoren sowie ihre Wirkungsweise näher beschrieben. Es handelt sich hier um die Prozesse der Verwitte- rung, der Auswaschung, der Deposition, des Biomasseexportes und der Düngung.
1. 2. 2 Verwitterung 1. 2. 2. 1 Allgemeines
Nach dem Abschmelzen der Eismassen nach der letzten Eiszeit lag in großen Bereichen Mit- teleuropas nur noch das Ausgangsgestein vor, da die meisten Böden abgetragen worden wa- ren. Aus diesem Ausgangsgestein bildeten sich durch physikalische und chemische Verwitte- rung unsere heutigen Böden.
1. 2. 2. 2 Physikalische Verwitterung
Bei der physikalischen Verwitterung zerfallen Gesteine in kleinere Teilchen, ohne daß sich die chemische Zusammensetzung des Gesteins ändert. Diese Art der Verwitterung kommt durch Druckabnahme, Temperatur- und Frostsprengung sowie durch mechanischen Druck von Pflanzenwurzeln zustande (SCHEFFER et al., 1984). Sie ist Voraussetzung für die chemische Verwitterung.
1. 2. 2. 3 Chemische Verwitterung
1. 2. 2. 3. 1 Allgemeines
Die chemische Verwitterung beruht auf einer Reihe von chemischen Reaktionen, bei denen die Minerale in ihrem Aufbau verändert oder aufgelöst werden (SCHEFFER et al., 1984). Bei diesem Vorgang werden Ionen freigesetzt, die von den Pflanzen aufgenommen werden kön- nen. Die chemische Verwitterung läuft an der Oberfläche von Gesteinen ab. Je kleiner die Korngröße der Minerale, desto größer wird die Angriffsfläche pro Volumeneinheit. Je größer also die physikalische Verwitterung vorangeschritten ist, umso größer ist die chemische Ver- witterung (SCHEFFER et al., 1984).
Die Ionen, die bei der chemischen Verwitterung freigesetzt werden, untergliedert man nach ihren chemischen Reaktionen. Die Kationsäuren Al3+, Fe3+ und Mn2+ reagieren mit Wasser zu unlöslichen Hydroxid-Ionen, wobei Protonen freigesetzt werden (Formel 1). Diese Ionen zählt man daher zu den Ma-Kationen (M = Metall, a = acid). Zugabe von Lauge kann den Prozeß nicht umkehren! Erst die Zugabe weiterer Säure löst die Hydroxide wieder auf.
(Formel 1) Mn+ + n H2O → M(OH)n + n H+
Na+, K+, Ca2+ und Mg2+ dagegen bilden lösliche Hydroxid-Ionen und reagieren demzufolge wie Basen (Mb-Kationen, b = basic). Durch Zugabe von Säure wird der Prozess umgekehrt und die Säure somit neutralisiert (ULRICH, 1983b; ULRICH et al., 1986) (Formel 2).
(Formel 2) M(OH)n + n H+ ↔ Mn+ + n H2O
Unter natürlichen Bedingungen, d. h. bei einem Eintrag von Regen mit einem pH-Wert um 5, kann ein Boden nicht stark versauern. Die vorherrschende Säure ist die Kohlensäure (H2CO3), die als schwache Säure nicht zu pH-Werten im Boden unter 5 führen kann. Zu einer Versaue- rung des Bodens mit einem pH-Wert unter 5 kann es nur kommen, wenn entweder starke Säu- ren eingetragen werden oder sich im Ökosystem bilden. Die Raten des Säureeintrags müssen außerdem höher sein als die Raten der Verwitterung (ULRICH, 1985b). Nur dann kann es zur Freisetzung von Al3+- und Fe3+-Ionen kommen.
Die chemische Verwitterung der Gesteine im Boden beziehungsweise die Versauerung des Bodens läuft in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten ab, auf die im Folgenden kurz ein- gegangen wird.
1. 2. 2. 3. 2 Silikatverwitterung
In einem ersten Schritt verwittern die primären Minerale, hier vor allem die Silikate, die mehr als 75-% des Gewichtes der Erdrinde ausmachen. Primäre Silikate sind magmatischer Entste- hung, d. h. sie sind unter hoher Temperatur und hohem Druck gebildet worden. Ihre Verwitte- rung, d. h. chemische Umwandlung, ist unter den Bedingungen im Boden nicht rückgängig zu machen (Ausnahme Glimmer). Vor allem die Reaktionen der Kieselsäure (Si(OH)4) während ihrer Freisetzung aus dem Mineralgitter prägen die Verwitterung. Kieselsäure wird dabei voll- ständig oxidiert, wobei Wasser freigesetzt wird (Formel 3). Die Silikatverwitterung ist daher von Protonen abhängig, die aus fremden Quellen kommen, also außerhalb des Bodens gebil- det wurden!
Si(OH)4 im Silikatgitter: O-Si=(OH)2
(Formel 3) -O-Si=(OH)-2 + ½ O2 + 2 H+ → SiO2 + 2 H2O
Die primären Silikate unterscheiden sich in der Komplexität ihres Aufbaus. Von den Inselsili- katen (einzelne SiO4-Tetraeder, z. B. Olivin), über die Kettensilikate (kettenförmige Anord- nung der SiO4-Tetraeder, z. B. Augit), die Schichtsilikate (die SiO4-Tetraeder sind zweidi- mensional netzartig miteinander verknüpft, z. B. Muskovit) bis hin zu den Gerüstsilikaten (an allen vier O-Atomen des SiO4-Tetraeders liegen Si-O-Si-Bindungen vor, z. B. Feldspäte) nimmt ihre Stabilität zu. Die Stabilität eines Gesteins hängt daher unter anderem von den ver- schiedenen Mineralien ab, aus denen es zusammengesetzt ist.
In den primären Silikaten befinden sich neben Si und O2 auch noch Al-Ionen, die das vier- wertige Si verdrängt haben. Da Al jedoch dreiwertig ist, kommt es zu einem Überschuß an negativer Ladung. Diese wird durch den Einbau heteropolar gebundener Kationen (z. B. K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+) in das Gitter kompensiert.
1. 2. 2. 3. 3 Oxidation von Gitterbausteinen
Minerale, die Fe- oder Mn-Ionen enthalten, verwittern schneller als Fe- oder Mn-freie Mine- rale. Fe und Mn werden durch den Luftsauerstoff oxidiert, wodurch die positive Ladung im Gitter zunimmt. Die anderen Kationen verlassen z. T. das Gitter, wodurch dieses instabil wird.
Bei der Oxidation von Fe werden drei H+-Ionen verbraucht, die aber durch die Reaktion von Fe3+ mit Wasser wieder freigesetzt werden (Formel 4).
(Formel 4)
Si-O-Fe-O-Si + ¼ O2 + 3H+ → Fe3+ + 2 Si-OH + ½ H2O Fe3+ + 2 H2O → FeOOH + 3 H+
Si-O-Fe-O-Si + ¼ O2 + 1 ½ H2O → FeOOH + 2 Si-OH
Die Gesamtreaktion verhält sich neutral. Sie läuft außerdem nur ab, wenn O2 und H2O zum Reaktionsort diffundieren können. Somit ist die Reaktionsgeschwindigkeit von der Diffusi- onsgeschwindigkeit der Reaktionspartner abhängig. Werden außerdem noch Diffusionswider- stände aufgebaut, etwa durch dünne Al- und Si-haltige Mineralüberzüge, so kann man leicht erkennen, daß die Verwitterung nicht unbedingt mit abnehmendem pH-Wert zunimmt, son- dern weitgehend davon unabhängig ist (ULRICH, 1985b).
1. 2. 2. 3. 4 Kationen-Freisetzung
Der nächste Verwitterungsschritt nach der Oxidation von Gitterbausteinen ist die Freisetzung von Na+, K+, Mg2+ und Ca2+, wobei die äquivalente Menge an H+-Ionen verbraucht wird! Al und Si bleiben in oxidischer Bindung. Erst ab einem pH-Wert von unter 5 wird ionares Al3+
freigesetzt. Bei einem pH-Wert zwischen 4 und 3 werden Eisenoxide aufgelöst (ULRICH, 1985b). Hierzu sind größere Mengen an externen H+-Ionen notwendig. Dabei muß berück- sichtigt werden, daß für eine Abnahme des pH-Wertes von 4 auf 3 zehnmal mehr Protonen notwendig sind als für die Abnahme des pH-Wertes von 5 auf 4!
1. 2. 2. 3. 5 Protonenverbrauch bei der Verwitterung
Ein Maß für die Menge an Ionen, die durch Verwitterung freigesetzt werden und in die Bo- denlösung übergehen, ist die Silikatverwitterungsrate. Sie wird in kmol Ionenäquivalenten an freigesetztem Na+ + K+ + Mg2+ + Ca2+ pro ha und Jahr pro 1 m Bodentiefe angegeben (ULRICH, 1997). Im Silikat- und Kationenaustausch-Pufferbereich kann die Silikatverwitte- rungsrate als pH-unabhängig betrachtet werden; im Al- und Fe-Pufferbereich ist mit einer erhöhten Freisetzung von Mg2+ aus dem Gitter der Tonminerale zu rechnen (ULRICH, 1997).
Die Silikatverwitterungsraten von Böden auf typischen Ausgangsgesteinen gibt Tabelle 1 wieder:
Ausgangsgestein: Silikatverwitterungsrate kmol IÄ/ha/a
Granit 0,7 ±0,4
Gabbro 1,5 ±0,9
Basalt 1,7 ±1,0
Grauwacke 0,2 ±0,1
Tonschiefer 0,4 ±0,2
Sandstein 0,1 ±0,05
Löß 0,3 ±0,15
Tabelle 1: Silikatverwitterungsraten einiger Böden auf typischen Ausgangsgesteinen (nach ULRICH, 1997)
Die Silikatverwitterung ist nicht nur von der Mineralzusammensetzung des Ausgangsgesteins abhängig, sondern auch von deren Verbund im Gesteinsverband. Auch Temperatur und Nie- derschlag bestimmen die Höhe der Silikatverwitterung. Da diese Faktoren nicht überall gleich sind, ergeben sich für das gleiche Ausgangsgestein unterschiedliche Angaben für die Verwit- terung.
Bei der Silikatverwitterung werden Protonen aus externen Quellen verbraucht. Übersteigt die Menge an Protonen die Menge, die zur Silikatverwitterung notwendig ist, so werden die über- schüssigen Protonen zur Freisetzung von Ma-Kationen (Al3+, Mn2+, Fe2(3)+) verwendet. Ab einem pH-Wert < 5 wird Al aus oxidischer Bindung in ionares Al3+ überführt. Hierbei werden die Protonen abgepuffert, d. h. verbraucht, ganz im Gegensatz zur Freisetzung von Al im Sili- kat- und Austauscherpufferbereich, wo das Al in oxidischer Bindung bleibt.
1. 2. 2. 3. 6 Puffersysteme und ihre pH-Bereiche in Böden
Der pH-Wert eines Bodens sagt noch nichts über die Fähigkeit des Bodens aus, Säure abzu- puffern. Diese Fähigkeit des Bodens ist abhängig von der Menge an basisch wirkenden Katio- nen. Ein Maß, welches angibt, wie stark die Pufferwirkung eines Bodens ist, ist die Säure- neutralisierungskapazität, kurz SNK genannt (in mol IÄ / Masse). Sie ist die Differenz zwi- schen der Summe an konservativen Kationen und konservativen Anionen.
SNK = Σ konservative Kationen - Σ konservative Anionen
Unter konservativen Anionen versteht man Anionen, welche nach ihrem Umsatz im Ökosy- stem ihren Anionencharakter behalten. Im Gegensatz dazu verlieren die nichtkonservativen Anionen diesen Charakter, da sie in eine nichtionische Form überführt werden können (z. B.
CO3 2-
, welches in CO2 und H2O übergehen kann).
Tabelle 2 zeigt die Aufteilung der Kationen und Anionen in konservative und nicht konserva- tive Ionen.
Kationen Anionen
Na+, K+ Cl- Konservative
Mg2+ SO4
2-
Konservative PO4
3-
Anionen Ca2+ O2-, OH-
NH4+
nicht Kation-
Kationen Al3+ SiO4
4-
konservative säuren
Mn2+, Fe2+ CO32-
Anionen
H+ Org-
Tabelle 2: Konservative und nicht konservative Ionen (nach ULRICH, 1985a)
Werden in einen Boden von außen starke Säuren eingetragen, so versauert der Boden. Dabei durchläuft er verschiedene pH-Bereiche und Puffersysteme, die die eingetragenen Säuren durch bestimmte Reaktionen neutralisieren. Tabelle 3 zeigt die Puffersysteme, die pH- Bereiche und die dabei auftretenden Veränderungen im Boden.
Puffersubstanz pH-Bereich Reaktionsprodukt geringerer SNK (bodenchem. Veränderung) Karbonat-Pufferbereich
CaCO3
8.6 > pH > 6.2 Ca(HCO3)2 in Lösung (Ca- u. Basenauswaschung) Silikat-Pufferbereich
primäre Silikate
ganze pH-Skala
vorherrschende Puffer- reaktion in carbonatfreien Böden pH > 5
Tonminerale
(Vergrößerung der Kationen- austauschkapazität KAK) Austauscher-Pufferbereich
Tonminerale
5 ≥ pH ≥ 4.5 nicht austauschbare n [Al(OH)x
(3-x)+
]
(Blockierung permanenter Ladung Reduktion der KAK)
Mn-Oxide 5 ≥ pH ≥ 4.5 austauschbares Mn2+
(Reduktion der Basensättigung)
Tonminerale 5 ≥ pH ≥ 4.2 austauschbares Al3+
(Reduktion der Basensättigung) n [Al(OH)x
(3-x)+
] 4.5 ≥ pH ≥ 4.2 Al-hydroxosulfate
(Akkumulation von Säure bei Be- lastung mit H2SO4)
Al-Pufferbereich n [Al(OH)x
(3-x)+
] Al-hydroxosulfate
4.2 > pH Al3+ in Lösung
(Al-Auswaschung, Reduktion der permanenten Ladung?)
Al/Fe-Pufferbereich wie Al-Pufferbereich, ferner "Boden-Fe(OH)3"
3.8 > pH org. Fe-Komplexe
(Reduktion der permanenten La- dung?)
Eisen-Pufferbereich Ferrihydrit
3.2 > pH Fe3+ (Reduktion der permanenten Ladung?)
Tabelle 3: Puffersysteme, pH-Bereiche und Bodenveränderungen durch Säureeintrag (nach ULRICH, 1985a)
Unter Kationenaustauschkapazität versteht man die Summe des negativen Ladungsüber- schusses, der durch austauschbare Kationen kompensiert wird. Die Kationenaustauschkapa- zität wird auf eine Gewichts- oder Volumeneinheit bezogen und in mol Ionen-Äquivalenten (mol IÄ) ausgedrückt (ULRICH, 1985b).
Die Austauscher (Tonminerale, org. Substanzen) sind negativ geladen und lagern deshalb po- sitiv geladene Ionen (Kationen) an. Die Austauschkapazität ist pH-abhängig. Daher gibt man die Austauschkapazität bei zwei verschiedenen pH-Werten an. Bei pH-Werten im neutralen Bereich erreicht die Austauschkapazität ihr Maximum. Man spricht daher von der absoluten oder potentiellen Kationenaustauschkapazität (AKa). Bei abnehmendem pH-Wert wird ein Teil der negativen Ladung durch die Protonen neutralisiert. Daher ist die Austauschkapazität bei dem jeweilig vorherrschenden pH-Wert geringer als die potentielle Austauschkapazität.
Man bezeichnet sie als effektive Austauschkapazität (AKe).
Ein Boden mit hohem pH-Wert hat sehr viel mehr basisch wirkende Kationen (Mb: Na+, K+, Mg2+, Ca2+) an seinem Austauscher als sauer wirkende (Ma: Al3+, Mn2+, Fe2(3)+). Der prozen- tuale Anteil der Mb-Kationen an der Gesamtaustauschkapazität (Ma + Mb, ohne H+) bezeich- net man als Basensättigung.
1. 2. 2. 3. 7 Ansprache im Gelände
Aus dem Zusammenspiel von physikalischer und chemischer Verwitterung sind unsere heuti- gen Böden entstanden. Anhand von Merkmalen des Bodens lassen sich Angaben über dessen Verwitterung machen. So besitzen Gesteine, die leicht verwitterbare Mineralien enthalten, deren Verbund im Gesteinsverband nicht so stark ist und bei denen eine starke physikalische Verwitterung stattgefunden hat, ein mächtiges Solum und sind tiefgründig verwittert. Ein ge- ringmächtiges Solum, Skelettreichtum und flachgründige Standorte deuten dagegen auf schwere Verwitterbarkeit des Gesteins hin (ULRICH, 1985b).
1. 2. 3 Auswaschung 1. 2. 3. 1 Allgemeines
Unter Auswaschung versteht man den nach unten gerichteten Transport von Nährstoffen mit dem Sickerwasser. Dabei können die Nährstoffe in tiefere Bereiche des Bodens verlagert wer- den oder den Wurzelraum vollständig verlassen. Die Höhe der Auswaschung ist abhängig von der Konzentration der Nährstoffe im Sickerwasser und dessen Menge. Die Konzentration ei- nes Stoffes im Sickerwasser ist abhängig vom jeweiligen Bodenzustand. Saure Böden enthal- ten beispielsweise sehr viel mehr Al-Ionen als alkalische Böden. Die Menge des Sickerwas- sers hängt direkt von der Niederschlagshöhe und der Verdunstung ab.
Sickerwassermenge = Niederschlag - Verdunstung
Die mit dem Sickerwasser aus dem Wurzelraum transportierten Konzentrationen eines be- stimmten Stoffes müssen nicht mit denen des Grundwassers identisch sein. Zwischen Wurzel- raum und Grundwasseroberfläche finden verschiedene Prozesse statt (mikrobielle Vorgänge, Austausch- und Fällungsreaktionen, Verdünnungsvorgänge), die die Konzentration eines Stof- fes verändern können (SCHEFFER et al., 1984).
1. 2. 4 Stoffeinträge durch Deposition
1. 2. 4. 1 Emissionen, Immissionen, Depositionen 1. 2. 4. 1. 1 Definitionen
Als Emissionen bezeichnet man die von einer festen oder beweglichen Anlage oder von Pro- dukten an die Umwelt abgegebenen Luftverunreinigungen (Gase, Staub), Geräusche, Strahlen, Wärme, Erschütterungen oder ähnliche Erscheinungen. Wirken diese Luftverunreinigungen, Geräusche etc. auf Menschen, Tiere, Pflanzen oder Sachgüter, so spricht man von Immissio- nen. Gemessen werden diese als Schadstoff in der Luft oder Menge an Staub, die sich auf ei- ner bestimmten Fläche pro Zeiteinheit niederschlägt (UBA, 1992).
Unter Staub versteht man die Gesamtheit aller Feststoffe ungeachtet ihrer chemischen Zu- sammensetzung (UBA, 1989). Eine andere übliche Bezeichnung ist Schwebstaub. Weiterhin
wird unterschieden zwischen Feinstaub und Grobstaub, wobei es eine einheitliche Größen- einteilung nicht gibt. ISRAËL et al. (1992) geben für Feinstaub eine Größe von bis zu 2,5 µm und für Grobstaub eine von 2,5 µm bis 10 µm an. WICHMANN et al. (1992) unterscheiden zwischen Grobstaub (Teilchengröße > 50 µm), Mittelstaub (10 - 50 µm), Feinstaub (0,5 - 10 µm) und Feinststaub (< 0,5 µm). Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Größe von 2 µm, da Teilchen, die kleiner sind als 2 µm, hauptsächlich durch nasse Prozesse abgelagert werden, solche, die größer sind als 2 µm, dagegen hauptsächlich durch Sedimentation (UBA, 1981).
Heutzutage wird Staub fast ausschließlich als sogenannter Feinststaub emittiert, d. h. er ist in der Luft suspendierbar (FBWL, 1989).
Aerosole sind flüssige oder feste Stoffe mit einer Größe < 0,5 µm. Sie befinden sich in einem gasförmigen Dispersionsmittel im Schwebzustand und bilden so ein kolloiddisperses System (ULRICH, 1985b).
Als Depositon bezeichnet man die Ablagerung von Schadstoffen aus der Luft auf die belebte und unbelebte Umwelt (UBA, 1992). Als Rezeptoren kommen Gewässer, Böden, technische Materialien aller Art sowie die mit der Atmosphäre in direktem Kontakt stehende Fauna und Flora in Betracht (FBWL, 1989). Man unterscheidet üblicherweise zwischen nasser und trok- kener Deposition, wobei aber eine scharfe Trennung zwischen beiden Depositionsarten nicht möglich ist. Den tatsächlichen Gegebenheiten wird eine Unterscheidung in nasse, feuchte und trockene Deposition besser gerecht.
1. 2. 4. 1. 2 Nasse Deposition
Der Austrag atmosphärischer Spurenstoffe mit Wasser in flüssiger (Regen) oder fester Form (Hagel, Schnee, Graupel) durch Sedimentation wird als nasse Deposition bezeichnet (FBWL, 1989). Sie ist rein durch Gravitation bedingt und entspricht dem Freilandniederschlag.
1. 2. 4. 1. 3 Feuchte Deposition
In Waldbeständen sind die Vorgänge der Deposition wesentlich komplizierter als im Freiland.
Neben der nassen Deposition, die unabhängig vom Akzeptor, d. h. von der Bestandesoberflä- che ist, gibt es noch die akzeptorabhängige nasse Deposition. Man bezeichnet sie auch als feuchte Deposition. Es handelt sich dabei um abgesetzten (Reif und Tau) oder abgefangenen (Nebel und Rauhfrost) Niederschlag (BRECHTEL, 1989). Wolken- oder Nebeltröpfchen wer- den durch die Zweige und Äste eines Bestandes bewegt. Dabei setzen sie sich an der Oberflä- che der Nadeln, Blätter oder Zweige ab. Die Deposition ist umso stärker, je größer und rauher die Oberfläche des Akzeptors und je größer die Geschwindigkeit ist, mit der der Wind die Wolken oder den Nebel durch den Bestand bewegt.
Vor allem die immergrünen Fichtenaltbestände mit ihrer dichten Benadelung in den höheren Lagen der Mittelgebirge fungieren als Akzeptoren für Nebel und Rauhfrost (BRECHTEL, 1989). Die Wälder dort erhalten einen Großteil ihres jährlichen Niederschlages aus Nebel- ereignissen oder aufliegenden Wolken, in denen auch die Spurenstoffkonzentrationen höher liegen als im Regenwasser. Am Kahlen Asten im Hochsauerland etwa liegt der Spurenstof- feintrag für SO42-
, NO3-
und Cl- durch Nebel und Wolken in der gleichen Größenordnung wie der Eintrag durch Regen und Schnee, am Großen Arber im Bayerischen Wald sogar um den Faktor vier darüber (FBWL, 1989).
1. 2. 4. 1. 4 Trockene Deposition
Unter trockener Deposition versteht man die Sedimentation größerer Staubteilchen und die Ablagerung staubförmiger Partikel oder Gase an Rezeptoroberflächen. Gase und kleinere Par- tikel (< 10 µm) werden durch turbulente Diffusion an die Rezeptoren herantransportiert, grö- ßere Teilchen durch Gravitation sedimentiert (FBWL, 1989). Wie bei der nassen Deposition spielt die akzeptorabhängige Deposition auch hier eine große Rolle, vor allem die Interzepti- onsspeicherung. Darunter versteht man die Ablagerung von Gasen und Aerosolen an feuchte Oberflächen. Sehr häufig kommt die Interzeptionsdeposition bei den Waldbeständen der hö- heren Mittelgebirge vor (FBWL, 1989; BRECHTEL, 1989).
1. 2. 4. 1. 5 Übersicht Depositionsarten
Eine Übersicht der Depositionsarten gibt Tabelle 4.
Deposition
Feuchte Nasse Trockene
Deposition Deposition Deposition
akzeptorabhängig akzeptorunabhängig akzeptorunabhängig akzeptorabhängig
abgesetzt: Regen, Schnee, Staub- Ab- u. Adsorption
Reif, Tau Hagel, Graupel niederschlag von Gasen,
abgefangen: (Freilandniederschlag) Abfangen
Nebel, Rauhfrost von Stäuben
Interzeptions- Deposition, Impaktion
Sedimentation Sedimentation Interzeptions- Deposition,
Impaktion, Lösung Niederschlagsdeposition
Tabelle 4: Depositionsarten
1. 2. 4. 1. 6 Deposition im Freiland und im Wald
Die Depositionen im Freiland unterscheiden sich von denen in Waldbeständen. Während im Freiland die Deposition durch Sedimentation vorherrscht, werden im Wald Stoffe vor allem durch die großen Oberflächen der Bäume ausgefiltert (im Wesentlichen feuchte Deposition).
Durch das Auskämmen der Luftmassen an großen Oberflächen können die Depositionsmen- gen etwa für SO42- bei der Fichte gegenüber der Deposition im Freiland bis zu sechsmal höher liegen (SARTORIUS et al., in LENZ, 1991). Dabei ist die Höhe der Deposition abhängig von der Größe der Akzeptoroberfläche und von der Exposition des Bestandes. Ein Altbestand mit großen Kronen fängt größere Stoffmengen ein als ein Jungbestand. Bestände, die in Hauptwindrichtung an offenes Gelände grenzen, filtern sehr viel mehr Stoffe aus als Bestände innerhalb eines großen Waldkomplexes.
Die Gesamtdeposition, unter der man die Summe aller Depositionsarten (trockene, feuchte, nasse Deposition, Deposition durch Gravitation, Auskämmen an Ästen, Zweigen, Nadeln, Blättern) versteht, ist in Waldbeständen sehr viel höher als im Freiland. Die unterschiedlichen
Stofffrachten der verschiedenen Depositionsarten bewirken außerdem, daß in Waldbeständen andere Stoffe bzw. Stoffmengen deponiert werden als im Freiland.
1. 2. 4. 2 Natürliche Stoffeinträge durch Deposition 1. 2. 4. 2. 1 Allgemeines
Das Ökosystem Wald ist ein offenes System, d. h. es tauscht Stoffe mit seiner Umgebung aus.
In einen vom Menschen unbeeinflußten Wald werden Stoffe hauptsächlich über die Atmo- sphäre eingetragen. Die Stoffe entstammen unterschiedlichen Quellen.
1. 2. 4. 2. 2 Natürliche Quellen
Staub wird hauptsächlich aus landwirtschaftlichen Flächen ausgeweht und mit dem Wind über vergleichsweise kurze Strecken (km-Bereich) verfrachtet.
Nach ULRICH (1985b) und WICHMANN et al. (1992) entstammt natürlicher Staub folgen- den Quellen:
- Vulkanausbrüche
- Aufwirbelungen vom Boden
- Salzaerosole durch Meerwasserversprühung - Blütenstaub (Pollen)
- Höhenrauch von Waldbränden
Durch Regen und Schnee gelangen Ionen, die atlantischen Ursprungs sind, in den Wald. Ihr Anteil an der heutigen Deposition läßt sich aus der Zusammensetzung des Meerwassers an diesen Ionen berechnen. Dabei geht man von einem Ion aus, welches nur durch den Nieder- schlag eingetragen wird (Na, Cl) und keine anthropogenen Quellen besitzt. Zu der Menge die- ses Ions werden die Mengen der anderen Ionen ins Verhältnis gesetzt und zwar so, wie sie im Meerwasser vorkämen. So erhält man den maritimen Anteil eines Ions an der Gesamtdeposi- tion. Voraussetzung ist allerdings, daß dieses Ion keine andere Depositionsquelle besitzt.
Überschreitet nun die Menge eines bestimmten Ions seine im Meerwasser äquivalente Menge, so muß der Teil, der über die äquivalente Menge hinausgeht, einen anderen Ursprung haben als das Meerwasser.
Element g/l Gew.-Verh.
zu Na
Gew.-Verh.
zu Cl
mol/l mol. Verh.
zu Na
mol. Verh.
zu Cl
K 0,398 0,037 0,02 0,010 0,0187 0,022
Na 10,711 1 0,553 0,466 0,853 1
Ca 0,415 0,039 0,022 0,010 0,019 0,022
Mg 1,319 0,123 0,068 0,054 0,099 0,116
P 0,00007 0,000007 0,000039 2,26E-06 0,000004 0,0000047
S 0,896 0,084 0,046 0,028 0,051 0,06
Cl 19,367 1,808 1 0,546 1 1,172
Tabelle 5: Zusammensetzung des Meerwassers an Mineralien und ihr Verhältnis zueinander (nach MAYERS ENZYKLOPÄDISCHES LEXIKON, 1980)
Nach ISERMANN (1982) stammen folgende Stoffe und Stoffanteile aus natürlichen Quellen (globale Angaben):
Stoff Quelle %-Anteil an der Ge-
samtdeposition des Stoffes (global) sauer:
SOX Vulkane, auch marin 73,0
NOX 93,5
Cl u. a. auch marin ?
CO2 96,5
NH3 Ammonifikation (→ Nitrifikation) 99,4
S aus Flugasche
alkalisch:
Bodenstaub Deflation
Ca > Al, Fe, Mg Flugasche
[Al > Fe, Ca > Mg > K > Na > Ba, Sr > Schwermetalle]
(Braunkohlenasche, kalkreicher als Steinkohlenasche) Marine Anteile
[Na > Mg > K > Ca]
Tabelle 6: Saure und alkalische Depositionsanteile aus natürlichen Quellen und %-Anteil an der globalen Gesamtemission der sauren Depositionsanteile
Die Angaben von ISERMANN (1982) beziehen sich auf die globalen Depositionen. In einem stark industrialisierten Gebiet wie Europa stammt jedoch ein größerer Teil der Depositionen aus anthropogenen Quellen. Genauere Angaben hierüber gibt es aber nur für wenige Elemente (FBWL, 1989).
1. 2. 4. 3 Anthropogen bedingte Stoffeinträge durch Deposition
1. 2. 4. 3. 1 Art, Quellen, Transport und Eigenschaften der Luftverunreinigungen
Unter anthropogen bedingten Stoffeinträgen versteht man diejenigen Stoffe bzw. Stoffmen- gen, die durch den Menschen verursacht werden und über das natürliche Maß der Deposition dieser Stoffe (siehe Kap. 1. 2. 4. 2) hinausgehen. Die Stoffe können in fester (Staub), flüssiger (Niederschlag) oder gasförmiger Form über die Atmosphäre eingetragen werden. Die wichtig- sten Stoffe, welche Auswirkungen auf das Ökosystem Wald haben, sind
1. nicht-biologische Emissionen:
- Schwefeldioxid (SO2) - Stickoxide (NOx) - Staub
2. biologische Emissionen:
- Ammoniak (NH3)
Die genannten Stoffe entstammen unterschiedlichen Quellen. Die nicht-biologischen Emis- sionen stammen aus Anlagen zur Energiegewinnung, dem Verkehr, Produktions- und Verar- beitungsanlagen sowie Haushalten. Die Emissionen an Ammoniak stammen hauptsächlich aus der Landwirtschaft (FBWL, 1989).
- Transport und chemische Veränderungen von emittierten Stoffen
Gelangt ein gas- oder partikelförmiger Stoff in die Luft, so kann er entweder direkt, d. h. in nächster Nähe der Emissionsquelle (bis zu 10 km), wieder deponiert oder über weitere Strek- ken transportiert (bis über 1000 km) werden. Beim Transport über lange Distanzen laufen verschiedene Prozesse ab, bevor das Gas oder der Partikel (häufig in veränderter Form) als trockene oder nasse Deposition (z. B. Regen) abgelagert wird (FBWL, 1989). Die Vorgänge, welche sich während der Wolkenbildung und in der Wolke abspielen, bezeichnet man als Ausregnen (rainout). Beim Niederfallen der Tropfen können aus der Luft noch Gase oder Par- tikel aufgenommen werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Auswaschen (washout) (ULRICH, 1985b). Bewirkt ein Stoff durch seine Deposition Schäden an Bäumen, so spricht man etwa beim SO2 im ersten Fall (Transport über kurze Entfernungen) von den sogenannten klassischen, im zweiten Fall (Transport über weite Strecken) von neuartigen Rauchschäden.
Bei der trockenen Deposition wird Staub durch Sedimentation, Interzeptionsdeposition oder Impaktion abgelagert. Die Art der Ablagerung ist abhängig von der Größe der Teilchen. Große Teilchen werden vor allem durch Sedimentation in der Nähe der Emissionsquelle abgelagert, während kleine Teilchen meist über weite Strecken transportiert werden. Da sich große und kleine Staubteilchen in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden, werden die in ih- nen enthaltenen Elemente unterschiedlich weit transportiert (UBA, 1983b).
Gase lagern sich an feuchten Oberflächen ab (Impaktion), wobei sie sich im Wasser lösen und z. T. chemisch verändern.
Quellen und Transport der wichtigsten Stoffe im Einzelnen:
- Schwefeldioxid (Sulfat)
Jeder fossiler Brennstoff enthält Schwefel. Daher wird bei seiner Verbrennung Schwefeldi- oxid (SO2) freigesetzt. Ein Gramm Schwefel bildet bei der Oxidation 2 g Schwefeldioxid (0,68 l). Weitere SO2-Emissionsquellen sind in der Metallindustrie (Sinteranlagen, Röstanla- gen, Hüttenwerke) und bei der chemischen Industrie (z. B. Schwefelsäurefabriken) zu finden, besitzen aber allenfalls lokale Bedeutung (WICHMANN et al., 1992). In Deutschland wird Schwefel zu ca. 80 % als trockene und zu 20 % als feuchte Deposition eingetragen (UBA, 1983a). Bei der Emission von Schwefeldioxid und seinem Transport über weite Strecken wird ein Teil des Gases durch chemische Reaktionen in Schwefelsäure (H2SO4) umgewandelt (Formel 5). Ein Zwischenprodukt ist die schweflige Säure (H2SO3).
(Formel 5)
SO2 + H2O →→ H2SO3
H2SO3 + ½ O2 →→ H2SO4
- Stickoxide
Stickstoffoxide entstammen chemischen Prozessen (Herstellung von Salpetersäure, Dünge- mittel, bei Nitrierungen und beim Beizen) oder entstehen bei der Verbrennung stickstoffhalti- gen Materials. Vor allem aber werden sie aus dem Sauerstoff und Stickstoff der Luft bei ho- hen Temperaturen (> 1000° C) gebildet. Daher entstehen die größten Mengen an Stickstoff- oxiden bei Verbrennungsvorgängen in Kraftwerken und bei Kraftfahrzeugen. Vor allem NO wird ausgestoßen, welches dann zu NO2 in der Luft oxidiert wird (WICHMANN et al., 1992) und in Verbindung mit Wasser weiter zu Salpetersäure reagiert (Formel 6).
(Formel 6)
NO + O3 →→ NO2 + O2
6NO2 + 3 H2O →→ 3HNO2 + 3HNO3 →→ 4HNO3 + 2NO + H2O - Staub
Als Staubquellen kommen nach WICHMANN et al. (1992) Feuerungsanlagen, Industrieanla- gen der Metallgewinnung und Verarbeitung, der Kohleverarbeitung, der Industrie von Steinen und Erden sowie der Kraftverkehr in Betracht. Nach FBWL (1989) entstammen die Emissio- nen an Staub zu gleichen Teilen Verbrennungsprozessen (Flugasche, Ruß) und sonstigen Vor- gängen (Stahlindustrie, Steine und Erden).
ULRICH (1985b) unterscheidet
* Straßenstaub: Asphalt + Sand + Gummi + Blei + Teer + Ruß
* Staub aus Feuerungsanlagen: Flugasche und Flugschlacke (nicht brennbar), Flugkoks, Ruß (amorpher teerhaltiger Kohlenstoff) und
* Industriestäube: Zement- und Kalkfabriken (CaO), Braunkohle-Verarbeitung (C, CaO, Flug- asche), Hochöfen, Sinteranlagen, Schmelzwerke, Gießereien (Pb, Cu, Cd, Zn, Mn, Mo, F, SiO2, Be)
- Ammoniak (NH3)
Ammoniak entsteht im Rahmen von Zersetzungsvorgängen bei Fauna und Flora und bei einer Reihe von technischen Prozessen (Ammoniak- und Salpetersäurefabriken, Kokereien, Gas- werken). Die größte Quelle dürfte aber die Massentierhaltung sein (FBWL, 1989;
WICHMANN et al., 1992). Ammoniak wird entweder als Aerosol (NH3) oder mit dem Regen als NH4+ deponiert.
1. 2. 4. 3. 2 Entwicklung der Luftverunreinigungen in Deutschland
Mit Beginn der Industrialisierung ab 1850 dürfte es in Deutschland zu Fernemissionen von Schadstoffen (Stickoxide und Schwefeldioxid) gekommen sein. Schon vor 1850 wußte man, daß die schweflige Säure für das Absterben des Waldes um die Fabriken verantwortlich war.
1848 begann STÖCKARDT (nach SPELSBERG, 1984) mit seinen Untersuchungen über die Auswirkungen der schwefligen Säure auf die Vegetation. Mit einer Verdünnungsreihe wollte er eine Unschädlichkeitsgrenze der schwefligen Säure nachweisen. Aber selbst bei einer Ver- dünnung von 1 Raumteil SO2 zu 1 Millionen Raumteile Luft (≅ 2,9 mg SO2 / m3 Luft) fand er keine Grenze. Er glaubte, daß geringste Mengen schwefliger Säure über längere Zeit genauso
